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논문KCI 등재

물리 교육을 위한 ChatGPT 활용 방안 탐색: 고등학교와 일반물리 수업 중심으로

Exploring applications of ChatGPT for Physics Education: Focusing on High School and General Physics Class

유훈|김주인
한국현장과학교육학회 (The Korean Society for School Science)|2023.08|현장과학교육 (School Science Journal)|제17권 제3호|pp. 216-239|DOI 10.15737/ssj.17.3.202308.216

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생성형 인공지능ChatGPTGenerative AI교수 학습 전략Teaching and Learning Strategy물리 교육Physics Education

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본 연구에서는 물리 교육에서 ChatGPT를 활용할 수 있는 방안을 고등학교와 일반물리학 수준에서 탐색해 보았다. 교육 활동의 주요 단계인 계획, 도입, 전개, 평가 단계에서 교육자가 ChatGPT를 활용에 고려할 수 있는 6가지 주제 - 강의 계획, 교육 자료 준비, ChatGPT의 물리학 문제 풀이 능력 탐색, 특정 물리학 주제에 대한 ChatGPT 응답의 신뢰성 평가, 평가 문항 제작, 그리고 서술형 답안 채점 - 를 선정하여 ChatGPT의 교육적 활용 가능성을 탐색해 보았다. 6가지 사례를 통해 ChatGPT는 빠른 시간안에 교육 활동과 관련된 문서의 초안 작성, 참고자료 수집 및 간단한 평가 문항 제작에 유용하여 교사의 업무 효율성을 높이는데 이용 될 수 있음을 확인하였다. 물리학 관점에서 일반물리학 수준의 개념 확인 질문에 81.7 %의 높은 정답률을 보였으나 허구의 자료 제시, 부적절한 일상의 용어의 혼용과 잘못된 물리학 개념 사용, 문제 상황에 대한 이해 부족, 그리고 정답을 제공하는 과정에서 일부 오류를 보이기도 하여 물리학 개념과 관련된 ChatGPT 응답은 교사의 검토가 반드시 필요한 것으로 나타나 현 수준의 ChatGPT 서비스는 물리 교사에게 교육의 보조수단 정도로 활용 가능함을 확인할 수 있었다.

Abstract

In this study, we explored potential ways to utilize ChatGPT for the perspective of physics education at the high school and general physics levels. We investigated the educational applicability of ChatGPT considering key stages of educational activities: planning, introduction, development, and evaluation. We selected six subjects - lecture planning, preparation of educational materials, exploration of ChatGPT's ability to solve physics problems, evaluation of the reliability of ChatGPT's responses to specific physics topics, creation of assessment questions, and grading of descriptive answers - to explore the educational potential of ChatGPT. Through these six cases, we found that ChatGPT can be used to draft documents related to educational activities, collect reference materials, and create simple assessment questions in a short time, thus potentially improving the efficiency of a teacher's work. ChatGPT achieved a high accuracy rate of 81.7% on general physics-level concept questions. However, due to the presentation of fabricated materials, use of inappropriate everyday terms, misuse of physics concepts, lack of understanding of problem situations, and some errors in the process of providing correct answers, we found that responses from ChatGPT related to physics concepts require reviews by teachers and experts. At its current level, the ChatGPT service can serve only as an educational aid for physics teachers.

참고문헌 (46)

  1. ChatGPT는 혁신의 도구가 될 수 있을까? : ChatGPT 활용 사례 및 전망, "김태원", 한국지능정보사회지능원, ~ (2023)
  2. 권재술, "과학교육론" (2000), 교육과학사
  3. 박도순, "교육평가" (2010), 문음사
  4. 박현주, "중학교 과학교사의 지필평가의 역할 및 실태에 대한인식 조사", 교사교육연구, 55(3), pp.389~398 (2016), 과학교육연구소[DOI]
  5. 변정호, "생성적 인공지능의 교육적 활용 방안 탐색: 생물학습을 위한 ChatGPT 활용을 중심으로", Brain, Digital, & Learning, 13(1), pp.1~17 (2023), 뇌·AI기반교육연구소[DOI]
  6. ChatGPT 활용사례 및 활용 팁, "서울디지털재단", SDF, ~ (2023)
  7. 유재진, "인공지능을 활용한 지리교육 연구 -ChatGPT 기반 질의⋅응답을 중심으로-", 경관과 지리, 33(1), pp.162~173 (2023), 한국사진지리학회[DOI]
  8. 윤소희, "인공지능 교육의 효과에 대한 메타분석", 교원교육, 39(1), pp.27~53 (2023), 교육연구원
  9. 이봉우, "좋은 과학수업에 대한 중등 과학교사의 인식", 한국과학교육학회지, 36(1), pp.103~112 (2016), 한국과학교육학회[DOI]
  10. 초중등 AI교육 학교 적용 방안, "임다미", 한국과학창의재단, ~ (2022)
  11. 전화영, "유튜브 동영상을 활용한 화학 I 수업에 대한 학생들의 인식", 대한화학회지, 54(4), pp.465~470 (2010), 대한화학회
  12. 정은이, "대학에서의 좋은 수업에 대한 교수자와 학습자의 인식", 교육방법연구, 22(3), pp.25~44 (2010), 한국교육방법학회[DOI]
  13. 하민수, "학습 도구로서의 서술형 평가 그리고 인공지능의 활용: WA3I 프로젝트 사례", 현장과학교육, 13(3), pp.271~282 (2019), 한국현장과학교육학회[DOI]
  14. 한순미, "학습동기 변인들과 인지전략 및 학업성취간의 관계", 교육심리연구, 18(1), pp.329~350 (2004), 한국교육심리학회
  15. Is ChatGPT Smarter than Master’s Applicants?, "Bruno Buchberger", Research Institute for Symbolic Computation, ~, pp.Research Institute for Symbolic Computation Report Series 23-04 (2023)
  16. Chung Kwan Lo, "What is the impact of ChatGPT on Education? A rapid review of the Literature", Education Sciences, 13(4), pp.410~ (2023)
  17. Eva A. M. van Dis, "ChatGPT: five priorities for research", Nature, 614(7947), pp.224~226 (2023)
  18. Grant Cooper, "Examining Science Education in ChatGPT: An Exploratory Study of Generative", Artificial Intelligence Journal of Science Education and Technology, 32, pp.444~452 (2023)
  19. Hubert Szczepaniuk, "Applications of Artificial Intelligence", Algorithms in the Energy Sector Energies, 16(1), pp.347~ (2023)
  20. ChatGPT Goes to Law School Minnesota, "Jonathan H. Choi", Legal Studies Research, ~, pp.Legal Studies Research Paper 23-03 (2023)
  21. "Can ChatGPT Pass High School Exams on English Language Comprehension?" (2023)[URL]
  22. João Reis, "Impacts of Artificial Intelligence on Public Administration: A Systematic Literature Review", 2019 14th Iberian Conference on Information Systems and Technologies(CISTI), pp.19~22 (2019)
  23. "ChatGPT Sprints to One Million Users Statista" (2023)[URL]
  24. Lee Don Hee, "Application of Artificial Intelligence-Based Technologies in the Healthcare Industry : Opportunities and Challenges", International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(1), pp.271~ (2021)
  25. Malik Sallam, "ChatGPT applications in medical, dental, pharmacy, and public health education: A descriptive study highlighting the advantages and limitations", Narra J, 3(1), pp.e103~ (2023)
  26. Malik Sallam, "ChatGPT Utility in Healthcare Education, Research, and Practice: Systematic Review on the Promising Perspectives and Valid Concerns", Healthcare, 11(6), pp.887~ (2023)
  27. Maria Teresa Linaza, "Data-Driven Artificial Intelligence Applications for Sustainable", Precision Agriculture Agronomy, 11(6), pp.1227~ (2021)
  28. Marie Francisco, "Artificial intelligence for environmental security: national, international, human and ecological perspectives", Current Opinion in Environmental Sustainability, 61, pp.101250~ (2023)
  29. Md. Hasan Al Banna, "Application of Artificial Intelligence in Predicting Earthquakes: State-of-the-Art and Future Challenges", IEEE Access, 8, pp.192880~192923 (2020)
  30. Michael Moor, "Foundation models for generalist medical artificial intelligence", Nature, 616, pp.259~265 (2023)
  31. Mohammad Awad AlAfnan, "ChatGPT as an Educational Tool: Opportunities, Challenges, and Recommendations for Communication, Business Writing, and Composition Courses", Journal of Artificial Intelligence and Technology, 3(2), pp.60~68 (2023)
  32. Nature Editorials, "Tools such as ChatGPT threaten transparent science; here are our ground rules for their use Nature", Nature Editorials, ~ (2023)
  33. "OpenAI"[URL]
  34. "OPenAI"[URL]
  35. Qin Chen, "Application of Artificial Intelligence for EV Charging and Discharging Scheduling and Dynamic Pricing: A Review", Energies, 16(1), pp.146~ (2023)
  36. Raymond A. Serway, "Physics for scientists and engineers with modern physics 9th translated in Korean Multiple questions Ch.2 OQ 3, 7; Ch.3 OQ 2, 7; Ch.4 OQ 2, 8; Ch.5 OQ 6, 8; Ch.6 OQ 3, 6; Ch.7 OQ 5, 6; Ch.8 OQ 2, 7; Ch.9 OQ 5, 10; Ch.10 OQ 2, 8; Ch.11 OQ 1, 5; Ch.12 OQ 4; Ch.13 OQ 6, 10; Ch.14 OQ 5, 10; Ch.15 OQ 1, 9; Ch.16 OQ 2, 9; Ch.17 OQ 6, 8; Ch.18 OQ 6, 9; Ch.19 OQ 7, 10; Ch.20 OQ 2, 9; Ch.21 OQ 2, 6; Ch.22 OQ 3, 7; Ch.23 OQ 1, 5; Ch.24 OQ 7, P 1; Ch.25 OQ 4, 7; Ch.26 OQ 3, 6; Ch.27 OQ 1, 9; Ch.28 OQ 4, 7; Ch.29 OQ 5, 8; Ch.30 OQ 4, 8; Ch.31 8, P 1; Ch.32 OQ 1, 6; Ch.33 OQ 9, 10; Ch.34 OQ 6, 7; Ch.35 OQ 3, 10; Ch.36 OQ 3, 7; Ch.37 OQ 3, P 29; Ch.38 OQ 6, 7; Ch.39 OQ 4, 9; Ch.40 OQ 4, 9; Ch.41 OQ 7, 8; Ch.42 OQ 7, 8; Ch.43 OQ 3", Bookshill(OQ and P stand for Objective Question and Problems.), ~ (2017)
  37. Sandra K. Abell, "Handbook of Research on Science Education Chapter 4" (2007), Routledge
  38. Samuel A. Prieto, "Investigating the Use of ChatGPT for the Scheduling of Construction Projects", Buildings, 13(4), pp.857~ (2023)
  39. Sarin Sok, "ChatGPT for Education and Research: A Review of Benefits and Risks", SSRN Electronic Journal (2023), Elsevier BV[DOI]
  40. Simon Frieder, "Mathematical Capabilities of ChatGPT", arXiv:2301.13867, ~ (2023)
  41. Som S. Biswas, "Role of Chat GPT in Public Health", Annals of Biomedical Engineering, 51(5), pp.868~869 (2023), Springer Science and Business Media LLC[DOI]
  42. Sukanta Ghosh, "The scope of Artificial Intelligence in mankind: A detailed review", Journal of Physics: Conference Series, 1531, pp.012045~ (2020)
  43. Tiffany H. Kung, "Performance of ChatGPT on USMLE: Potential for AI-assisted medical education using large language models", PLOS Digit Health, 2(2), pp.e0000198~ (2023)
  44. Vinyas D. Sagar, "Artificial Intelligence in Autonomous Vehicle –A Literature Review i-manager’s", Journal on Future Engineering and Technology, 14(3), pp.56~62 (2019)
  45. Youqin Huang, "Review on Application of Artificial Intelligence in Civil Engineering", Computer Modeling in Engineering and Sciences, 121(3), pp.845~875 (2019)
  46. Xiaoming Zhai, "ChatGPT for Next Generation Science Learning", The ACM Magazine for Students, 29(3), pp.42~46 (2023)

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